一、國產(chǎn)變速箱零部件對微觀表面質(zhì)量“單一性采標”是造成水平低、質(zhì)量差的根本原因之一

　　微觀表面質(zhì)量對機械零件的耐磨性、裝配性、可靠性(抗疲勞、抗腐蝕、接觸剛度)、密封性等使用性能有很大的影響。微觀表面質(zhì)量又由表面的幾何特性，物理、化學(xué)、力學(xué)特性兩大方面的五大類諸多參數(shù)來評價、來控制。

　　我國基礎(chǔ)標準GB/T3505-2000第4條表面輪廓參數(shù)定義中對粗糙度就提出了16個參數(shù)。而絕大多數(shù)機械零件現(xiàn)行技術(shù)標準和產(chǎn)品圖樣，對微觀表面質(zhì)量都只選取了一個縱坐標幅度參數(shù)Ra來評價、來控制。

　　傳統(tǒng)的車、銑、铇、磨、拋光等加工工藝，其共同特點是一道工序只能加工一個表面。除保證實現(xiàn)尺寸和形狀位置公差之外，就只保證實現(xiàn)規(guī)定的Ra，達到“符合性”要求，“單一采標”，止此而已。

圖1 微觀表面輪廓形狀示意

　　(1)~(4)咬合傾向大，耐磨性差，(5)~(6)咬合傾向小，耐磨性好。

　　上圖1所示，各微觀表面輪廓形狀，其Ra可做到相近，但表示加工紋理狀態(tài)的間距參數(shù)Rsm(老標準為Sn)相差甚遠，Rsm亦可做到相近，但影響耐磨性，并用Rmp、Rmr(C)【老標準為Rmr、Rmr(c)】表示的輪廓峰谷之間的形狀千變?nèi)f化，使配合表面實際接觸面積和存油情況大相徑庭，又由于表面加工紋理、方向和零件相對運動的方向不同，都對表面的耐磨性、可靠性(咬合傾向)及使用性能產(chǎn)生重大影響。

　　Ra只是微觀表面輪廓形狀16個參數(shù)其中之一， Ra不能正確、全面地反映零件微觀表面狀態(tài)，這僅指幾何特性中粗糙度而言，更何況多種加工方法。因切削力、切削熱和周圍介質(zhì)共同作用下所實現(xiàn)的零件微觀表面的其他幾何特性、物理、化學(xué)、力學(xué)、光學(xué)性能在零件標準和圖樣中鮮有或沒有要求和規(guī)定。“一Ra以蔽之”的零件表面，遠不能承受性能日益強化、排放法規(guī)日益嚴格的整機的要求。因此國內(nèi)機械零件微觀表面質(zhì)量還停留在用一個Ra來評價和控制的“單一性采標”階段，是造成水平低、質(zhì)量差的根本原因之一。

　　為盡快提高我國機械零部件的水平，必須打破“單一性采標”的局限，以“表面完整性”為指導(dǎo)，在傳統(tǒng)加工方法的基礎(chǔ)上補充、采用和推廣具有復(fù)合性加工特征的“綜合性采標”的新的加工技術(shù)。

　　二、機械零件“表面完整性”新概念

　　美國金屬切削研究協(xié)會的M.Filed和J.Kahles于1964年就提出了“表面完整性”概念，并將其定義為：“由于受控制的加工方法的影響，導(dǎo)致成品的表面狀態(tài)或性能沒有任何損傷，甚至有所加強的結(jié)果”。并提出了包括幾何特性和物理、力學(xué)、化學(xué)性能兩方面五大類的評價指標體系;還提出了三組(基礎(chǔ)、標準、廣義)評價數(shù)據(jù)組。

　　“表面完整性”在工業(yè)發(fā)達國家已廣泛使用，我國機械行業(yè)已引入進行研究和推廣，得到航空航天、核電、汽車等大型企業(yè)的重視和應(yīng)用，并取得很好效果。

　　<一> 表面完整性評價指標體系

　　表面完整性是從加工表面的幾何紋理狀態(tài)和表面受擾材料區(qū)的物理、化學(xué)、力學(xué)性能變化兩個方面來評價和控制表面質(zhì)量。其評價指標可歸納為如下五類：

　　1.表面的紋理形貌：包括表面粗糙度、表面波度和表面紋理方向。

　　2.表面缺陷：包括加工毛刺、飛邊、宏觀裂紋、表面撕裂和皺折等缺陷。

　　3.微觀組織和表面冶金學(xué)、化學(xué)特性：包括金相組織、微觀裂紋和表層化學(xué)性能。

　　4.表面力學(xué)性能：包括加工硬化程度和深度、殘余應(yīng)力的大小、方向及分布情況。

　　5.表面的其他工程技術(shù)特性：包括電子性能變化(電導(dǎo)率、磁性及電阻變化)、光學(xué)性能變化(對光的反射性能如光亮度等)。

　　<二> 表面完整性評價數(shù)據(jù)組

　　對于某一個零件，應(yīng)根據(jù)具體要求選取部分評價內(nèi)容作為具體評價指標，一般情況可按以下規(guī)定的三個數(shù)據(jù)組來進行評價。

　　1.基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組

　　1) 表面粗糙度和表面紋理組織;

　　2) 宏觀組織：10倍或更低倍數(shù)能觀察到的加工毛刺、飛邊、宏觀裂紋和宏觀腐蝕跡象;

　　3) 微觀組織：微觀裂紋、塑性變形、變相、晶間腐蝕、麻點、撕裂、皺折、積屑瘤、融化和再沉積層、選擇性腐蝕;

　　4) 顯微硬度。

　　2.標準數(shù)據(jù)組

　　1) 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)組;

　　2) 疲勞強度試驗;

　　3) 應(yīng)力腐蝕試驗要求;

　　4) 殘余應(yīng)力和畸變分析。

　　3.廣義數(shù)據(jù)組

　　1) 標準數(shù)據(jù)組;

　　2) 擴大的疲勞試驗，用于得出設(shè)計所需要的信息;

　　3) 附加的力學(xué)性能試驗。如拉伸、應(yīng)力斷裂、蠕變等試驗;

　　4) 其它特殊性能，如摩擦特性、銹蝕特性、光學(xué)特性及電子特性等。

　　以上三個數(shù)據(jù)組，后一個數(shù)據(jù)組是前一個數(shù)據(jù)組的發(fā)展。基本數(shù)據(jù)組為最低極限數(shù)據(jù)組;標準數(shù)據(jù)組是用于更為關(guān)鍵性的零件;廣義數(shù)據(jù)組是在標準數(shù)據(jù)組的基礎(chǔ)上，擴大了力學(xué)性能試驗和其它工程技術(shù)特殊要求的檢測內(nèi)容，以滿足設(shè)計時對表面質(zhì)量的特殊要求。

　　目前對表面完整性的研究，通常是對某些關(guān)鍵零件所用的材料及有關(guān)最終工序的加工方法進行分析;在極限工藝參數(shù)范圍內(nèi)進行不同的試驗，研究加工后表面層金相組織，殘余應(yīng)力和疲勞性質(zhì)等主要性能的變化，從而確定這些材料對加工條件和工藝參數(shù)的敏感性。應(yīng)用表面完整性控制加工方法和工藝參數(shù)，一般需進行一系列試驗和測試大量數(shù)據(jù)，這將導(dǎo)致成本增加。所以，一般只選擇關(guān)鍵零件或零件的關(guān)鍵部位，來確保其表面質(zhì)量，放寬非關(guān)鍵部位的要求，一求降低生產(chǎn)總成本。對一般零件可根據(jù)技術(shù)要求，以基本數(shù)據(jù)組中部分參數(shù)進行質(zhì)量評價。

　　三、綜合性采標的表面光整加工技術(shù)

　　零件在獲得規(guī)定的尺寸精度、幾何精度之后，那些旨在提高零部件表面質(zhì)量為目的的各種加工方法技術(shù)被稱為表面光整加工技術(shù)。本文重點介紹瀑布式光整加工技術(shù)。

　　零件在動態(tài)充滿介質(zhì)的腔體中強制振動，用拋光、剪切、噴丸來給零件的內(nèi)外表面去毛刺、清潔，使用研磨介質(zhì)的研磨動作(碰撞、滾壓、擠壓、劃擦)除去毛刺、雜質(zhì)，留下光滑的表面。適合0.5-250kg零件，通過工裝裝夾在機器工作腔內(nèi)，如圖1和照片1所示;源源不斷的介質(zhì)(含碳錳硫磷的硬化鋼)和清潔混合劑(弱堿性)流下來經(jīng)過固定好的零件;工作腔以2300-2900轉(zhuǎn)/min的頻率、4.75-6.35mm的振幅振動;受偏心重力的影響，產(chǎn)生40g以上的高速加速度拋光噴丸能量，徹底清除了零件內(nèi)外表面的毛刺及其雜質(zhì)，同時達到提高零部件表面質(zhì)量、綜合性能和使用性能的目的。

　　圖1 工作腔工作示意 照片1工作腔工作照片

　　照片2工作腔內(nèi)裝夾變速箱零件 照片3工作腔內(nèi)裝夾變速箱零件

　　光整加工技術(shù)是在實現(xiàn)“表面完整性”具有綜合性采標和復(fù)合性加工特征，具體體現(xiàn)在如下各個方面：

　　<一> 在微觀表面幾何特性方面

　　1. 選擇不同的光整加工工藝參數(shù)，能提高粗糙度Ra 0.5-2個等級以上，見圖2所示，上曲線為原粗糙度值Ra3.5，下曲線為經(jīng)過瀑布式光整工藝后的粗糙度值Ra0.29。

　　圖2 瀑布光整工藝前后某零件粗糙度值對比

　　2. 表面輪廓支承長度率Rmr值，及輪廓支承長度率曲線Rmr(c)，能直接反映零件表面耐磨性，對提高承載能力也具有重要意義，據(jù)美國來圖加工的曲軸表面，規(guī)定在水平截距C=1時Rmr值要求達到95%。而我國變速箱零部件基本上對Rmr值無要求，實測情況也非常低(見表4及圖3)光整加工后Rmr值可提高30%以上。

　　表1 某柴油機零件支承軸頸表面測試結(jié)果

　　圖3 某柴油機某零件支承軸頸表面Rmr(c)曲線

　　3、光整加工是一種微量磨削，是對零件表面輪廓峰高zpi值的部分去除和鈍化(圖4中剖線部分C=1時)通過光整工藝參數(shù)的選擇，可使zpi值的減少，控制在1~3。具體磨量數(shù)值可根據(jù)Rmr(c)曲線計算。

　　圖4 輪廓支承長度率曲線

　　4、光整加工可明顯改善、細化表面形貌和加工紋理。圖5是表面形貌的對比，圖6是加工紋理的對比。光整前的表面形貌和紋理、粗糙連續(xù)方向性明顯，光整后的形貌、紋理細化不連續(xù)方向性淡化，呈現(xiàn)多點細粒狀P型紋理特征。因此光整加工可大大降低零件配合表面的咬合傾向，提高耐磨性。圖5中a)光整前外表面 b)光整15min外表面 c)光整15min軸端面

　　圖5 Q235材料試件光整前后表面形貌比較(電鏡×200)

　　光整前 光整后

　　圖6 某廠M11發(fā)動機零件光整前后表面紋理(電鏡×500)對比

　　光整前 光整后

　　圖7 某航空發(fā)動機葉片光整前后表面紋理形貌(數(shù)顯觀測×180)

　　<二> 在物理力學(xué)性能方面

　　1. 光整加工能提高表面顯微硬度HV6～10%。(見表2)

　　表2 表面顯微硬度測試結(jié)果

　　2. 光整加工通過磨料對零件表面的碰撞、滾壓、擠壓、劃擦等可大大增加表面變質(zhì)(硬化)層的厚度從而提高了零件的耐磨性。圖6中a )Q235光整前1～5;b)光整后24;c)HT光整前3～5;d)光整后26

　　圖8 光整前后表面變質(zhì)層(電鏡×200、光整15min)比較

　　3. 光整加工可改變零件表面應(yīng)力狀況，使拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力、增大壓應(yīng)力數(shù)值。(見表3)

　　表3 某曲軸光整加工前后表面完整性指標對比(曲軸材料為QT800-2)

　　4. 光整加工可大幅度提高零件的疲勞壽命。以彈簧為例：不光整的疲勞壽命為36萬次，光整過的提高至52萬次。

　　<三> 去除和改善表面缺陷

　　1. 光整加工可去除其它工序完成之后的顯微毛刺。

　　2. 光整加工對零件上全部尖角和棱邊同時倒圓和鈍化。如內(nèi)外齒輪、平鍵槽、花鍵及花鍵槽、環(huán)槽、交叉孔邊緣、螺栓螺紋尖角等，對改善裝配性、減少運轉(zhuǎn)拉傷的可能性有明顯的作用。

　　3. 光整加工過程中又有液體介質(zhì)，不產(chǎn)生磨削燒傷裂紋，反倒能去除深度小于3的表面微觀裂紋。

　　4. 光整加工可很好改善零件階梯過渡圓角處的“黑線接痕”問題。

　　5. 光整加工可去除和鈍化加工的微觀表面尖峰(減小峰高zpi)、宏觀表面毛刺和銳邊，可提高零件非加工面及粗加工面的清潔度和外觀光亮度(見表4)。對零件熱處理而產(chǎn)生的發(fā)黑、變色、腐蝕及殘留物可一次徹底清除。

　　表4 部分廠家光整前后清潔度指標對照表

　　6、光整加工，使零件表面在機外完成了初期磨合，從而提高了整機清潔度和初期磨合的可靠性。這與零件不光整裝整機磨合后清洗油底殼，清潔度效果大不相同。

　　<四> 光整加工綜合采標、產(chǎn)生綜合效果舉例

　　1. 某型號四缸柴油機出廠試車中曲軸軸頸拉傷化瓦故障率，不光整時為0.55%，曲軸光整后降至0.069%(各統(tǒng)計兩萬臺)

　　2. 某公司變速箱產(chǎn)品，將箱內(nèi)零件全部光整，裝配后，齒輪箱機械噪音降低1分貝。

　　3. 光整技術(shù)是對零件整體各表面在一道工序中一次性加工，據(jù)此可對老工藝、工序，如粗磨、非精磨、精磨、砂帶拋光、毛氈卡瓦拋光等進行撤、并，優(yōu)化調(diào)整，降低成本。

　　4. 艾莉森傳輸控制閥體的清潔和去毛刺問題。曾采用多步方法包括高壓清洗、噴砂、拋光、去毛刺，以及再次的清洗、噴砂。之后進行質(zhì)量檢測，每個零件都有毛刺，污垢，削屑。花了無數(shù)個小時仍是不合格的零件。當使用瀑布式系統(tǒng)對傳輸控制閥體進行清潔和去毛刺?，F(xiàn)在98%的產(chǎn)品合格率，僅2%需再次加工。艾莉森自己的數(shù)據(jù)，以下面的圖表為例，都很好地說明了瀑布式系統(tǒng)的積極作用。紫色代表合格，紅色，黃色綠色等其他顏色表示再加工。

　　5. 韓國Seong Shin公司，月平均生產(chǎn)12400動力轉(zhuǎn)向泵，曾使用傳統(tǒng)的噴丸清洗和手工去毛刺方法，其不合格率40%，且需要大量的質(zhì)量監(jiān)測和加工。采用瀑布系統(tǒng)后，工人從4名下降到1名，加工12400個零件所需時間從592小時降到126小時，不合格率從40%降至幾乎為0。

　　以下數(shù)據(jù)由韓國公司提供：

　　6. 某汽車公司傳動裝置的閥板，傳統(tǒng)的噴丸，爆炸去刺，高壓清洗等，成本昂貴，而且閥板變形。使用瀑布式系統(tǒng)加工100個閥板，隨機選出50個，進行平面度測試。結(jié)果有效，且經(jīng)濟符合標準，同時確保了零件的平面度。瀑布式系統(tǒng)能以每60秒的循環(huán)周期處理10個閥板。50個閥板其中的7號和8號件測量數(shù)據(jù)如下表所示：

　　7. 某廠對柴油機全部運動摩擦副零件進行光整加工，實現(xiàn)零件機外初磨合、裝機后減少了整機初期磨合故障率，提高磨合質(zhì)量，大幅度減少了試車磨合時間，節(jié)省了人力、物力(廠房設(shè)備)和財力，就試車用柴油年節(jié)約200多萬元。

　　8. 人工心臟泵零件，植入體內(nèi)抗血凝1.5mg，光整加工后抗血凝可降低到0.4 mg。

　　9. 電鍍零件鍍前光整，可提高涂層、鍍層均勻性及附著力。

　　10. 瀑布式光整加工現(xiàn)場照片

　　11、曾經(jīng)加工過的零件照片

　　綜上所述，瀑布技術(shù)是一項成熟的光整加工技術(shù)，發(fā)達國家很重視瀑布光整技術(shù)的應(yīng)用，并普通受到高度評價。該項技術(shù)應(yīng)用將推動我國機械制造業(yè)的技術(shù)進步，變速箱產(chǎn)品提升檔次、替代進口等，具有積極社會經(jīng)濟效益。